沥青材料的粘度.ppt

1、沥青材料的粘度,主要内容,1、粘度指标 2、粘度指标的工程意义 2、粘度的测定及影响因素 4、粘度与其他指标的关系 5、总结,沥青的粘滞性 沥青的粘滞性是指沥青材料在外力作用下抵抗剪切变形的能力。在沥青技术性质中，沥青粘滞性是与沥青路面力学行为联系最密切的一种性质。 沥青的粘度 沥青的粘滞性通常用粘度来表示，粘度是现代沥青等级划分的主要依据。,粘度指标,1.牛顿流型沥青的粘度 根据牛顿内摩擦定律：, 动力粘度系数（简称粘度）,粘度指标,运动粘度 在运动状态下测定沥青粘度时，考虑到密度的影响，动力动力粘度可以用运动粘度来表示，即沥青在某一温度下的动力粘度（T)与同温度下的沥青密度之比。,粘度指标

2、,2.非牛顿流型沥青的粘度,粘度指标,* 表观粘度 （PaS） c 复合流动系数，评价 沥青流变性质的指标。,3、沥青粘度的影响因素 粘度与温度的关系 式中：T为绝对温度，A、B为沥青的材料常数 粘度与压力的关系 式中： 为常压下沥青的粘度，为压力影响系数，P为压力。 当压力变化小于105Pas,不考虑压力的影响。,粘度指标,沥青粘度与剪切应变速率的关系 式中： 、 分别为极低和极高剪切速率时的粘度渐近值； K为具有时间量纲的常数； m为无量纲的常数。,粘度指标,粘度指标的工程意义,沥青等级划分的主要依据 19世纪60年代，以粘度分级代替针入度分级的原因有两个：一是粘度试验比针入度试验更加科学

3、、理性，减少了针入度分级的经验性影响；二是60的试验温度接近于炎热夏季路面的最高温度，不同的粘度分级适应于不同的气候条件和施工需要。 粘度分级体系主要有以下两种： （1）新鲜沥青60粘度分级（AC级） （2）薄膜烘箱后沥青的60粘度分级（AR级）,沥青混合料生产和施工的主要控制指标 （1） 拌和时的粘度：（0.170.02）Pas 压实时的粘度：（0.280.03）Pas （2）可以通过粘温曲线来确定拌和以及压实温度。 （3）SHRP规范中要求改性沥青的135粘度不能大于3 Pas。 评价沥青及沥青混合料高温性能的重要指标 60粘度与动稳定度、抗剪安全系数、当量软化点、抗车辙因子、临界车辙温度

4、等高温性能指标有很好的相关性。,粘度指标的工程意义,由于沥青的使用温度在很大范围内发化，当沥青加热熔融至200时，沥青的粘度小至10-1Pas数量级，同水差不多；而冬天处于严寒状态下的沥青近于固体，粘度高达1011Pas，因此沥青的粘度变化范围是非常大的，不可能仅仅用一种方法测定沥青不同温度的粘度。根据不同温度、不同目的将采用不同的方法测定沥青的粘度。,粘度的测试,粘度的测试,绝对粘度的测定方法 毛细管法，135运动粘度 真空减压毛细管法，60动力粘度 Brookfield粘度计法 动态剪切流变仪（DSR）法 恩格拉粘度计法，煤沥青、乳化沥青 条件粘度的测定方法 标准粘度计法 针入度法 软化点

5、法,毛细管法（坎芬式粘度计） （1）试验原理 分别计算流经C、J测定球的运动粘度： 当 及 之差不超过平均值的3%时，试样的运动粘度按下式计算；若 及 之差超过平均值的3%时，试验应重新进行,毛细管法,毛细管法,（2）试验步骤,（3）影响因素 不同试验温度与检定温度的玻璃热膨胀。由于玻璃的热胀冷缩，粘度计尺寸会略有变化，并导致粘度常数的变化。 不同试验温度与装液温度。试验温度下试液体积将改变，因此必须在试验温度下装液。 装液量不准确。由于操作不熟练引起的装液体积的变化。 粘度计不垂直。在安装时，未能使毛细管垂直，将引起有效高度的改变，从而影响粘度测定。 表面张力，空气浮力，毛细管内残留量等。,

6、毛细管法,真空减压毛细管法（SYD-0620沥青动力粘度计） （1）试验原理 沥青试样在测定温度下的动力黏 度（Pas）； K选择的第一对超过60s的一对标线 间的黏度计常数（Pas）； t通过第一对超过60s标线的时间间 隔（s）。,真空减压毛细管法,真空减压毛细管法,（2）试验步骤,（3）影响因素 毛细管粘度计的选择。包括毛细管粘度计型式、孔径的选择。 沥青取样量的影响。同一种沥青, 用同一只毛细管粘度计, 在严格控制真空度和温度的情况下,试样取样量不同, 其粘度值不同。随着沥青试样增多, 剪切速率下降, 流动粘度值增大。 试验温度的影响。沥青粘度随温度的变化直接反映了沥青的路用性能。温度

7、升高粘度减小, 温度下降粘度增大。 真空度的影响。真空度降低, 沥青剪切速率下降, 流经毛细管的时间增大, 粘度值增大。,真空减压毛细管法,Brookfield粘度计法 可用于测定道路沥青 在45以上温度范围内表观粘度。 （1）试验原理 对于牛顿流体其计算公式为： 对于非牛顿流体，上式中的 可表述为：,Brookfield粘度计法,（2）试验步骤,Brookfield粘度计试验流程图,Brookfield粘度计法,（3）影响因素 恒温时间对粘度的影响。为得到一个稳定的粘度结果，应尽量延长沥青试样达到平衡温度所需的恒温时间，最好能控制在30 min左右。 转速和扭矩对粘度的影响。对于牛顿流体，转

8、速对粘度测试结果影响不大。对沥青而言，当温度高于120时，转速和扭矩的影响可以忽略。 试验温度对粘度的影响。试验过程中，控制温度范围1的波动，会使沥青的动力粘度值发生较大的变化。沥青试样不同，其变化的程度也是不同。 沥青试样添加量对粘度的影响。粘度值随沥青试样添加量的增加而增大，建议在粘度试验称取沥青试样数量时，在所选转子要求数量附近可允许有微小偏差，但数量差值不可过大，尽量不要超过0.2mL。,Brookfield粘度计法,动态剪切流变仪（DSR）法 （1）试验原理 = G*（cos+isin)= G+iG 弹性部分(储存模数)： G=(0/0)*cos = G*cos； 粘性部分(损失模数

9、)： G=(0/0)sin = G*sin。,动态剪切流变仪（DSR）法,（2）试验步骤,动态剪切流变仪（DSR）法,（3）影响因素 线粘弹性限制。试验时采用较低的剪变率是保证沥青处于线粘弹性范围的必要条件之一；振幅频率增大，复数模量也相应降低。 平行金属板的选择。不同温度以及不同的沥青，其粘弹性都会有所不同，因此不能仅依靠试验温度来试验温度来确定金属平板和沥青厚度。 沥青膜厚度控制。试验中应满足线粘弹性范围的要求，其中控制沥青膜间距是有效的措施之一。另外可能在两平行板旋转过程中有沥青被挤出，所以控制沥青膜厚度至关重要。 剪变速率的影响。剪变速率增加,沥青的非粘弹性增强,为此试验中选择合适的剪

10、变速率以保证沥青的线粘弹性是非常必要的。,动态剪切流变仪（DSR）法,恩格拉粘度计法（煤沥青、乳化沥青） 原理： 试验步骤：详见公路工程沥青 及沥青混合料试验规程（JTG E20-2011）T0622的相关规定。 影响因素：乳化沥青的存放时间、搅拌时间、控温精度等。,恩格拉粘度计法,标准粘度计法 标准粘度计适用于测定液体石油沥青、煤沥青、乳化沥青等流动状态时的粘度。 试验方法：公路工程沥青 及沥青混合料试验规程（JTG E20-2011）T0621,条件粘度的测试方法,针入度法,条件粘度的测试方法,粘度与其它指标/性质的关系,粘度与沥青组分的关系 沥青各指标与沥青粘度的相关性 （ G*/sin

11、 、针入度、PI、T800、 TR&B 、135粘度、PR） 粘度与沥青混合料高温稳定性的相关性 粘度与动稳定度的关系 粘度与车辙变形速率的关系 粘度与抗剪安全系数GSF的关系 动力粘度与临界车辙温度的相关 粘度与粘附性之间的关系,粘度与沥青组分的关系,表中饱和分、芳香分、胶质及沥青质分别以S，Ar，R和At表示，沥青的平均分子量以M表示。,以传统四组分分析方法得出的结果,从表中可以看出，沥青在120， 150， 180高温条件的粘度与饱和分或芳香分、胶质、沥青质3个参数简单回归的相关系数都大于0.9。沥青质和胶质等重质成分使高温粘度升高，饱和分或芳香分等轻质成分使高温粘度降低。,2.SHRP

12、研究计划中的IEC分离法将沥青分为酸性组分、碱性组分、两性组分及中性组分，研究了沥青中各个组分对粘度的影响。,粘度与沥青组分的关系,沥青各组分对母体沥青粘度的影响,沥青各指标与沥青粘度的关联性,1.原样沥青各指标与沥青60粘度关联度分析,从表中可以看出： （1）沥青的60动力粘度与135粘度的关联性最好，达到1.0，也就是说二者可以相互替代。 （2）对于原样沥青和经短期老化后的残留沥青，沥青各指标与60粘度的关联度排序基本一致，都是,沥青各指标与沥青粘度的关联性,2.改性沥青各指标与沥青135粘度关联度分析,从表中可以看出， （1）改性沥青原样的64抗车辙因子G*/sin与135粘度的 关联度

13、只有0.563，很小，这说明 抗车辙因子不能用来评价沥青的高温性能。而经短期老化后的改性沥青抗车辙因子G*/sin与135粘度的关联度较好，达到0.863，因此可以用短期老化后的抗车辙因子预测改性沥青的高温性能。 （2）原样改性沥青和短期老化后的改性沥青的当量软化点、针入度与135的关联度都在0.8以上，可以较好地反映沥青的高温性能。,1、粘度与动稳定度的关系,粘度与沥青混合料高温稳定性的相关性,动稳定度与粘度的关系,2、粘度与车辙试验变形速率的关系,粘度与沥青混合料高温稳定性的相关性,3、粘度与抗剪安全系数GSF的关系,粘度与沥青混合料高温稳定性的相关性,4、60动力粘度与临界车辙温度的相关

14、性,粘度与临界车辙温度的关系,粘度与沥青混合料高温稳定性的相关性,粘度与粘附性之间的关系,粘度与粘附性之间的关系,从图上可以看出，沥青粘度的增加对提高沥青与集料之间的粘附性是有益的，一方面粘度大意为着沥青分子量大，沥青质、胶质的含量高，从而沥青酸、沥青酸酐的含量高，可以与碱性的集料产生更强的化学吸附；另一方面，粘度大的沥青与集料形成的沥青膜强度相对较大。因此沥青与集料的粘附性就相对较好，从而沥青混合料抵抗水损坏以及交通荷载破坏的能力就越强。,总结,1.沥青粘度是表征沥青性质的重要指标。 2.沥青粘度与沥青的组分有密切的关系。 3.沥青粘度沥青及沥青混合料的高温稳定性有很好的相关性，可以用沥青的

15、粘度表征或预估沥青混合料的抗车辙性能。 4.目前国内外对于沥青粘度与沥青及沥青混合料的高温性能的相关性研究的比较多，但对于粘度与低温、抗疲劳性能、水稳定性能之间的相关性研究的比较少。,参考文献,1 周卫峰, 张秀丽, 原健安, 等. 基于沥青与集料界面粘附性的抗剥落剂的开发J. 长安大学学报(自然科学版), 2005(02). 2 宋福义. 国内外典型道路沥青抗车辙性能的对比研究J. 石油炼制与化工, 2007(04). 3 吴伟峰, 周灿锋, 陈守明, 等. 乳化沥青恩格拉粘度的影响因素研究J. 石油沥青, 2010(05). 4 周卫峰, 原健安, 戴经梁. 影响粘附性的沥青性质分析J.

16、石油沥青, 2003(03). 5 王婷. 高粘度胶粉沥青碎石封层在重载交通道路上的研究与应用D. 天津大学, 2010: 6蔡婷. 沥青材料的组分与粘度试验分析D. 长安大学, 2005: 7单丽岩. 基于粘弹特性的沥青疲劳流变机理研究D. 哈尔滨工业大学, 2010: 8郭成超, 曾凡奇, 王鹏. 沥青稠度指标与重载交通车辙试验相关性分析J. 公路, 2006(10):159-165. 9张启云, 罗立红, 倪富健. 高强度沥青粘结料抗车辙性能试验及评价指标研究J. 公路, 2007(03):28-32. 10 王翠红, 宋艳茹, 张荣德, 等. 沥青组分对其粘度的影响J. 石油沥青, 2

17、003(03).,11 王鹏, 曾凡奇, 黄晓明. 沥青高温性能指标的灰色关联度分析J. 交通运输工程学报, 2006(03):32-36. 12 王乐政. 沥青粘度的测量J. 中国公路, 2005(02):108. 13 弥海晨, 胡苗, 祁峰, 等. 橡胶沥青结合料对混合料高温抗车辙性能的影响J. 中外公路, 2011(01):203-205. 14 Li P, Wang X, Li H, et al. Influence Factors and Anti-Rutting Agent of High-Temperature Stability of Asphalt MixtureJ. 20

18、10:1293-1302. 15 Wang H, You Z, Mills-Beale J, et al. Laboratory evaluation on high temperature viscosity and low temperature stiffness of asphalt binder with high percent scrap tire rubberJ. Construction and Building Materials, 2012,26(1):583-590. 16 Zoorob S E, Castro-Gomes J P, Pereira Oliveira L

19、 A. Assessing low shear viscosity as the new bitumen Softening Point testJ. Construction and Building Materials, 2012,27(1):357-367. 17 Arslan D, Gr M, Krat ubuk M, et al. Improvement of bitumen and bituminous mixtures performances by triethylene glycol based synthetic polyboronJ. Construction and B

20、uilding Materials, 2011,25(10):3863-3868.,参考文献,18 Wang H, You Z, Mills-Beale J, et al. Laboratory evaluation on high temperature viscosity and low temperature stiffness of asphalt binder with high percent scrap tire rubberJ. Construction and Building Materials, 2012,26(1):583-590. 19 Zoorob S E, Cas

21、tro-Gomes J P, Pereira Oliveira L A. Assessing low shear viscosity as the new bitumen Softening Point testJ. Construction and Building Materials, 2012,27(1):357-367. 20 Li X, Zhang X, Wang S. Study of High Temperature Performance of Asphalt Mastic Based on Dynamic Viscoelastic MechanicsJ. Journal of

22、 Highway and Transportation Research and Development (English Edition), 2007,2(2):16-20. 21 Lougheed T, Papagiannakis A. Viscosity Characteristics of Rubber-Modified AsphaltsJ. Journal of Materials in Civil Engineering, 1996,8(3):153-156. 22 Yildirim Y, Ideker J, Hazlett D. Evaluation of Viscosity V

23、alues for Mixing and Compaction TemperaturesJ. Journal of Materials in Civil Engineering, 2006,18(4):545-553. 23 Hossain Z, Zaman M, Saha M, et al. Evaluation of Viscosity and Rutting Properties of Nanoclay-Modified Asphalt BindersJ. 2014:3695-3702. 24 Rowe G, Pellinen T. Consideration of Elastic an

24、d Viscous Components of Rheology Relating to the Permanent Deformation of Hot Mix Asphalt PavementsJ. 2003:65-82.,参考文献,25 Yang J, Lu H, Zhu H. Approaches to Rut Depth Prediction in Semirigid Asphalt PavementsJ. Journal of Engineering Mechanics, 2009,135(6):510-516. 25 Yang J, Lu H, Zhu H. Approaches to Rut Depth Prediction in Semirigid Asphalt PavementsJ. Journal of Engineering Mechanics, 2009,135(6):510-516. 26 Al-Khateeb G, Khedaywi T, Obaidat T, et al. Labo